（机械制造及其自动化专业论文）变光焊接护目镜响应时间的测试与研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 在焊接作业时，使用普通焊接护目镜对人眼的危害很大，不但容易导致焊工 电光性眼炎，而且影响焊接或非焊接表面的平整性和光洁度。为此，采用交光焊 接护耳境，由弧光的引发和熄灭来自动控制护目镜的翻转，实现明暗态转换。焊 工能在焊接前以及焊接过程中，始终清楚地进行观察，提高了焊接质量，同时避 免了焊工电光性眼炎。随着变光焊接护目镜的广泛应用，对其要求也越来越严格。 但是，我国在焊接护目镜的特性，控制指标值，专用测试等方面还没有系统的标 准体系，尚无法对护目镜的响应时间作精确地测定。为此，研制一种能满足并符 合国外先进标准的变光焊接护目镜响应特性测试仪已成为当务之急。 本文通过对比不同国家关于响应时间定义的标准，提出了该仪器响应时间的 定量描述方法，并对其进行了深入分析；通过分析仪器的光源系统，放大电路系 统和信号处理系统，完成了基本测试平台的硬件系统、软件系统设计，实现了响 应时间基本测试平台的搭建。本文的重点是响应时间的计算过程，基于测试平台， 通过大量试验及数据分析，验证了测试平台的测试性能，总结得出了响应时间计 算中各参数的计算方法，并采用数学理论，对各参数进行了深入的研究，在此基 础上，计算得到了满足要求的响应时间。本文的研究成果为该测试系统的仪器化 奠定了基础，其理论分析对于国家关于响应时间定义标准的制定，具有重要的参 考价值。 关键词：变光焊接护目镜，光透射比，响应时间，数据采集 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u r i n gt h ew e l d i n gp r o c e s s ，u s i n go r d i n a r yw e l d i n gf i l t e ri sv e r yh a r m f u lt o w e l d e r se y e s i tn o to n l yl e a d st ow e l d e r s o p h t h a l m i a , b u ta l s oi n f l u e n c e st h eq u a l i t y o ft h ew e l d i n gs u r f a c e b e c a u s eo ft h i s ，i ti sn e c e s s a r yt ou s et h ea u t o m a t i cw e l d i n g f i l t e rw h i c hc o n t r o l st h er e t r o f l e x i o no f t h e w e l d i n gf i l t e ra u t o m a t i c a l l yb yt h ei g n i t i o n a n de x t i n g u i s h m e n to ft h ea r cs i g n a l w e l d e r sc a l lo b s e r v ed e a r l yd u r i n gt h ew e l d i n g m a n i p u l m i o n w i t ht h e e x t e n s i v ea p p l i c a t i o no ft h ea u t o m a t i cw e l d i n gf i l t e r , t h e p e r f o r m a n c eo fi t i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es t r i c t b u ti n o u rc o u n t r y , t h e c h a r a c t e r i s t i c s ，c o n 仃o lp a r a m e t e r sa n ds p e c i a lt e s t i n go fa u t o m a t i cw e l d i n gf i l t e ra l e s t i l lo nt h ew a ya n df i l t e r sr e s p o n s et i m es t i l lc o u l dn o tb em e a s u r e dp r e c i s e l y t h u s ， t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to far e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c si n s t r u m e n to fa u t o m a t i c w e l d i n gf i l t e rw h i c ha c c o r d sw i t ht h ed o m e s t i ca n df o r e i 鲫w e l d i n gs t a n d a r d sh a v e b e c o m ea l lu r g e n ta f f a i r a c c o r d i n gt oc o m p a r i n gd i f f e r e n tc o u n t r i e s s t a n d a r d so nt h ed e f i r f i t i o no f r e s p o n s et i m e ，t h i sp a p e rs p e c i f i e sa n da n a l y s e st h eq u a n t i f i c a t i o n a ld e s c r i p t i o n m e t h o do fr e s p o n s et i m e t h eb a s i ct e s t i n ga p p a r a t u sw h i c hi n c l u d e sb o t hh a r d w a r e s y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e m i s d e s i g n e da n de s t a b l i s h e db yt h ea n a l y s i s o n l a m p h o u s es y s t e m , a m p l i f i c a t o r yc i r c u i ts y s t e ma n dd a t ap r o c e s s i n gs y s t e m t h e p a p e rc o n c e n t r a t e so nt h ec a l c u l a t i o no f r e s p o n s et i m e b a s e do i lt h et e s t i n ga p p a r a t u s ， w i t hl o t so fe x p e r i m e n t sa n dd a t aa n a l y s i s ，t h et e s t i n gp e r f o r m a n c ei sv a l i d a t e da n d t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fp a r a m e t e r si nt h er e s p o n s et i m ed e f i n i t i o na r er e a l i z e d t h e n , f a r t h e rd e v e l o p m e n t so ft h e p a r a m e t e r s a r ee x e c u t e dw i t ht h eu s eo f m a t h e m a t i c st of i g u r eo u tt h e mt h o r o u g h l y o nt h eb a s i so ft h ed e t a i l e dr e s e a r c h , t h e r e s p o n s et i m et h a ts a t i s f i e ss t a n d a r d si sa c q u i r e da tl a s t t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t so f t h i sp a p e rl a yas o l i df o u n d a t i o nf o rt h ef i n a ld e s i g no ft h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s i n s t r u m e n to fa u t o m a t i cw e l d i n gf i l t e r , a n dt h ea c a d e m i ca n a l y s i sh a si m p o r t a n t c o n t r i b u t i o n st ot h ee s t a b l i s h m e n to f r e s p o n s et i m ed e f i m t i o ns t a n d a r do f o u rc o u n t r y k e y w o r d s ：a u t o m a t i cw e l d i n gf i l t e r , l u m i n o u st r a n s m i t t a n c e ，r e s p o n s et i m e ，d a t aa c q u i s i t i o n 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：到盘三日期：兰车墨笪 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：型i 、哆 上海大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 众所周知，焊接过程中有多种危害：紫外线、红外线、强光、电焊烟尘以及 有机气体等 1 。通常焊工使用的手持式不可变光的电焊面罩，需要在引弧的瞬 间将眼睛遮住，在焊接过程中，常常会使眼睛在瞬间受有害光线的辐射。 据统计，我国每年造成的电光性眼炎病例占职业病总数的2 6 。其主要原因 之一是：使用普通焊接护目境。使用普通焊接护目镜对人眼危害很大，不但容易 导致焊工电光性眼炎，而且影响焊接或非焊接表面的平整性和光洁度，因此电弧 焊只能局限于较粗的焊接加工 2 。为此，采用了变光焊接护目境，由弧光的引 发和熄灭来自动控制护目镜的翻转，实现明暗态转换，响应时间小于0 1 s ，盲 目引弧时间大大减少以至消失，焊工能在焊接前以及焊接过程中，始终清楚地进 行观察，提高了焊接质量，同时避免了焊工电光性眼炎 3 ，4 。但是，就目前掌 握的资料来看，我国在焊接护目镜的特性，控制指标值，专用测试等方面还没有 系统的标准体系，尚无法对护目镜的响应时间作精确地测定。生产单位，使用单 位只能凭人眼的主观感觉或粗略的比较来确定响应时间，质检部门也无法准确地 确认护目镜产品的质量水准。 为了促进变光焊接护目镜新技术新产品的推广应用和发展，为制定该产品专 业标准提供依据，并为液晶，铁电陶瓷等显示器有关光阀响应特性测试奠定基础， 研制一种能满足并符合国外先进标准的变光焊接护目镜响应时间测试仪已成为 当务之急。 本课题就是基于此背景下提出的，来源于上海市科学技术委员会，是上海市 科委重点攻关项目。 该课题的主要任务是研制一台能够快速、准确地测量变光焊接护目镜的响应 时间及响应特性的仪器，即变光焊接护目镜响应特性测试仪。变光焊接护目镜可 在进行焊接作业时自动实现镜片明、暗状态的瞬时转变，从而有效的保护劳动者 的眼睛，提高工作效率，保证焊接质量。该产品的关键技术指标就是响应时间和 保持时间，即在特定的工作状态下由明亮状态向黑暗状态的转变，及再次恢复到 上海大学硕士学位论文 明亮状态的时间。为了确定出其响应时间和保持时间，我们承担了研制变光焊接 护目镜响应特性测试仪，来精确的检测并且分析该镜片变光时的有关特性。 该测试仪器的研制将填补国内变光焊接护目镜综合测试的空白，为变光焊接 护目镜生产，质量检测提供保障，真正做到对劳动者作业时的安全防护，降低职 业工作的危险。 变光焊接面罩自1 9 7 6 年由瑞典人h o m e l l 发明以来，得到了长足的发展，现 在已经在汽车、造船、化工等行业得到广泛的应用，尤其是在t i g ( 非熔化极气 体保护焊) 焊接上应用尤其广泛，t i g 焊接必须双手同时操作，因此不能使用手 持式非自动变光面罩。为了更加清楚地描述变光焊接护目镜的响应特性，各国针 对自己的国情，对该响应特性都制定了相关的标准。如欧共体的e n 3 7 9 ：2 0 0 3 标准 1 6 ，英国的b s 6 7 9 ：1 9 8 9 标准 9 ，美国的b s r z 8 7 1 - 1 9 x x 标准 1 0 ，德 国的d i n 4 6 4 7 标准，澳大利亚、新西兰的a s n z s l 3 3 8 i ：1 9 9 2 标准 1 7 等等，对 变光响应时间和保持时间都作了明确的定义。但是对于变光焊接护目镜测试仪器 研制方面的有关资料，至今尚未查到( 查新报告见附件) 。 我国在8 0 年代末，9 0 年代初开始研究此类变光焊接护目镜产品。经过几十 年的发展，在技术上已由单一的液晶产品发展到采用具有优良的电控折射效应的 高科技材料透明铁电陶瓷。其在功能上也有了较大的提高，响应速度从前者 的几i l l s 级提高到后者的l m s 以下，达到了国际先进水平。然而，到目前为止， 国内相应的测试手段仍较落后，几年前，原国家劳动部曾委托浙江劳动保护科学 研究所研制测试响应时间的仪器。在实际的研制过程中，经过努力，他们对仪器 进行了一定的分析，积累了一定的经验，为今后对仪器的进一步研制打下了很好 的基础。但他们尚未实现仪器化、系列化，没有制定出相应的检定检验方法 5 ，6 。 随着社会的不断进步，企业对该仪器的要求也越来越高，在设计过程中，还要考 虑温度对响应时间的影响，在不同的温度条件下对护目镜的时间响应进行检测， 并且对其测试精度的要求也提高t t e t 多，不能仅仅局限于l m s 范围内。基于此， 笔者认为，研制性能更好的，能够反映温度对响应时间影响的，精确度更高的变 光焊接护目镜响应特性测试仪具有重要的意义。 2 上海大学硕士学位论文 1 2 仪器的设计要求与总体结构 1 2 i 仪器的设计要求 根据国内外的研究成果与企业的现实需求情况，本测试仪拟满足下面的设 计要求： 1 ) 放置护目镜的样品室透光窗口尺寸拟控制在9 0 * 4 0 毫米。 2 ) 在测量过程中，护目镜片的环境温度拟控制在- 6 c 塑 + 5 0 c 的范围内。 3 ) 仪器的测量结果精度拟控制在0 i m s 以上。 4 ) 仪器在测量过程中产生的测量误差应控制在0 0 3 m s 内。 1 2 2 仪器的总体结构 ，光源系统1 背景光源 l温度控制系统 磊冀茎蓁 j样品室 主i 蓁言茎导轨与夹持系统 综合测试仪 光电转瓢信号放大系统 i信号处理系统 兰蓁雾凳主茎计算系统 l 装置控制系统 上海大学硕士学位论文 2 温度控制系统： 由于焊接时的工作环境温度在- 6 c 到5 0 。c 之间，所以设置温度控制系统是 非常必要的。温度控制系统拟包括制冷系统和制热系统两部分，从而实现不同温 度的调节。为了较精确的得到护目镜的环境温度，拟在放置护目镜的样品室中放 置温度传感器，以实时控制环境的温度。 3 样品室： 样品室用来放置被测变光镜片。样品室最好是一个暗箱，防止杂散光对测试 结果的影响。为了便于护目镜片的固定和更换，拟采用高精度的直线导轨与夹持 系统。护目镜夹持机构可以在直线导轨上滑动，通过在仪器外部的手动调节可以 测量护目镜上的不同位置测试点的响应特性，以求更加精确。直线导轨系统可以 使护目镜片沿其纵向移动，便于取出和更换。 4 光电转换、信号放大系统： 为了便于信号的分析，利用光电转换元件将光信号转换为便于处理的电信 号，通过电信号的变化来反映光强的变化；信号放大系统主要完成电信号的放大， 以获得较大的电信号进行后续分析。 5 信号处理系统： 信号处理系统由数据采集系统与数据分析处理计算系统组成。数据采集系统 拟完成数据的a d 转换，数据的保存；而数据分析处理计算系统拟完成对采集 到的数据的分析和最终响应时间的计算。 6 装置控制系统： 为了使该仪器能够更好的协调工作，拟设计一套控制系统来控制各系统的工 作，使之更加协调。仪器各组成部分之间的关系如下图所示： 图1 2 仪器各组成部分关系图 4 上海大学硕士学位论文 1 3 论文主要内容 针对变光焊接护目镜响应特性测试仪的组成部分，本文实现了仪器基本测试 平台的搭建，具体内容为： 1 ) 完成了测试仪相关的理论研究工作：在分析、对比国内外相关焊接标准 的基础上，完成了响应时间的定性、定量描述，提出了该仪器响应时间 的具体计算方法；针对仪器自身的特点，完成了光源系统的选择以及所 需放大电路元器件的选择。 2 ) 完成了信号放大系统的设计：通过不断地试验与仿真，完成了信号放大 系统的电路设计，并对电路的放大效果作了较详细地分析。 3 ) 完成了信号处理系统的软硬件结合：选用合适的数据采集卡进行数据采 集保存；基于v i s u a lb a s i c 与m a t l a b ，完成了数据采集与数据分析处 理计算的用户界面设计。 4 ) 完成了响应时间的计算：在对测试平台的实际测试性能分析的基础上， 利用数理统计知识，完成了测试平台的输出特性曲线分析，并基于选择 的响应时间定量描述方法，得到了最终的护目镜翻转响应时间。 上海大学硕士学位论文 第二章响应时间的理论分析与研究 对于变光焊接护目镜来说，有两个重要的反映翻转特性的参数：响应时间和 保持时间。这两个参数的大小直接决定了护目镜质量的好坏。为了使测试结果更 加准确，对响应时间和保持时间的正确定义就变得非常重要。 2 1 交光焊接护目镜的光透射比和遮光号 变光焊接护目镜可在进行焊接作业时自动实现镜片明、暗状态的瞬时转变， 从而有效的保护劳动者的眼睛，提高工作效率，保证焊接质量。当焊接弧光发出 的光强一定时，由护目镜射出的光强取决于护目镜本身的光透射比，光透射比一 般以f 表示。它的定义是从物体透出的光强乞与入射到物体的光强之比。即 f = 2 彳。可以看出，光透射比反映了入射到护目镜上的光强经护目镜后的透过 程度m 】。 为了更好的反映护目镜中液晶光阀的开关特性，我们用遮光号来描述它的变 光程度。对于遮光号，其定义可用下式表达： = 1 + 1 。g 。比) ( 2 1 ) 其中，f 为护目镜的光透射比。从上式可以看出，光透射比越大，遮光号越 小；光透射比越小，遮光号反而越大。 为了更加明确的反映变光焊接护目镜的明暗状态，我们把护目镜的遮光号分 为三类：明态遮光号、暗态遮光号和最暗态遮光号。 明态遮光号为最大光透射比所对应的遮光号：暗态遮光号为焊弧引燃后， 护目镜的光透射比达到乃时对应的遮光号；最暗态遮光号是制造商规定的当变 光焊接护目镜的光透射比达到最小值f ：时，所对应的最大遮光号( 见下图) 。 6 上海大学硕士学位论文 图2 1 护目镜遮光号分布图 通常用的变光焊接护目镜，其遮光号变化范围都是确定的。对于遮光号不同 的护目镜来说，对其光透射比有明确的要求。焊接及其相关技术中规定护目镜的 光透射比需满足表2 1 的要求： 表2 1 光透射比的要求 光透射比 光透射比 ff 遮光号遮光号 最大值最小值最大值最小值 1 2l o o7 4 48o1 60 0 6 l 1 4 7 4 4 5 8 190 0 6 l00 2 3 1 75 8 14 3 21 00 0 2 30 0 0 8 5 24 3 22 9 1l l0 0 0 8 50 0 0 3 2 2 52 9 l1 7 81 2 00 0 3 2 0 0 0 1 2 3 1 7 88 51 30 0 0 【200 0 0 4 4 4 8 53 21 400 0 0 4 40 0 0 0 1 6 5 3 21 2 1 500 0 0 1 6o 0 0 0 0 6 1 61 20 “1 60 0 0 0 0 6 l0 0 0 0 0 2 3 70 4 40 1 6 2 2 变光焊接护目镜的响应时间和保持时间 响应时间和保持时间是变光焊接护目镜响应特性的两个重要衡量指标，对它 们的定性、定量分析是后续工作开展的基础。 响应时间是指护目镜明态时，从其光检测器接受弧光信号到护目镜变为暗态 所需的时间间隔。响应时间关系到焊工引弧时受到强可见光瞬间照射的时间，也 关系到焊工在焊接过程中能否清楚地进行观察，能否彻底消除盲目引弧1 1 2 1 3 。 保持时间是指护目镜暗态时，从其光检测器除去弧光信号到护目镜变为明态 所需的时间间隔。由于电弧焊每秒钟要发生1 0 1 5 次瞬间短路，因此，保持时 间过短会使护目镜发生频繁的变态，使焊工在操作时会受瞬间的强可见光照射， 选择一定的保持时间将有利于连续的焊区观察和焊工防护。 对于变光焊接护目镜的响应时间，各国的定性描述是基本一致的，但定量表 达却有所差异。目前，各国针对变光焊接护目镜的响应特性，在相应的焊接标准 7 上海大学硕士学位论文 中，都给出了自身关于响应特性的明确定义。 在欧洲的e n3 7 9 ：2 0 0 3 和美国的a n s iz 8 7 1 - 2 0 0 3 标准中规定：护目镜的 响应时间与护目镜本身的光透射比和遮光号有关。 响应时间f 由下式给出： = e 扛r o 弛 ( 2 2 ) 其中：f l 是明态光透射比；f ：是最暗态光透射比：t = o 是开始引弧的时间； f ( f ) 是代表引弧后在时间t 时刻的光透射比，也即护目镜的光透射比时间变化曲 线；t = t ( r ( t ) = 3 r ：) 是代表光透射比下降到3 倍于最暗态光透射比的时间【1 6 , 1 8 。 澳大利亚、新西兰的a s n z s1 3 3 8 1 ：1 9 9 2 标准中，对响应时间和保持时间 作了不同的表达。其规定从光检测器接受弧光信号到护目镜的光学密度值达到暗 态值的9 0 时的时间间隔称为响应时间；停止弧光信号到护目镜的暗态光学密度 值减少9 0 时的时间间隔为保持时间。该标准中对于响应时间的规定与欧洲标准 相同，对于保持时间规定其最小值要达到2 0 m s m 。 从上述标准中对于响应时间的几种定义看，响应时间的记时起点相同的，各 标准都是从明态( 此时可见光透射比最大) 接受弧光信号时开始记时。保持时间 的记时起点也是相同的。都是从暗态( 此时可见光透射比最小) 停止弧光信号时 开始记时。各标准所不同的是记时截止点的确定以及计算方法。 通过对以上响应时间和保持时间的分析和研究，我们不难看出：对于澳大利 亚、新西兰的a s n z s1 3 3 8 1 ：1 9 9 2 标准，定义中的响应时间和保持时间都仅与 护目镜的暗态光学密度值有关，而与明态的光学密度值无关，该定义只考虑了护 目镜对弧光效应的起始状态和终止状态，而未考虑中间过程。而对于欧洲和美国 的标准，定义中响应时间与光阀的明态光透射比和暗态光透射比都有关，并且反 映了其中光透射比的变化，该响应时间指标能直接反映其保护性能。因此，建议 采用欧洲标准中规定的定义来测量响应时间。 对于保持时间，由于电弧焊每秒钟要发生1 0 1 5 次瞬间短路，因此，保持 时间过短会使护目镜发生频繁的变态，使焊工在操作时会受瞬间的强可见光照 射，并且当弧光熄灭2 0 m s 后可见光强度已大大减弱。因此，建议保持时间指标 上海大学硕士学位论文 推荐值大于2 0 m s 。 为了反映光透射比对响应特性的影响，建议将保持时间定义为：从停止弧光 信号一直到护目镜的光透射比达到明态透射比的9 0 时的时间间隔。 不同的变光焊接护目镜具有不同的明态遮光号和暗态遮光号，这就对应着不 同的响应时间。对于不同的变光焊接护目镜来说，其响应时间不能超过下表中所 示的数值【1 9 瑚】： 表2 2 响应时间最大值 明态遮光号 暗态遮光号 1 722 53456 响应时间( m s ) 73 0 04 0 05 0 07 0 01 0 0 0 8 1 0 0 1 5 02 0 03 0 05 0 01 0 0 0 94 05 0 7 01 0 02 0 0 4 0 07 0 0 1 02 02 03 04 07 01 0 03 0 0 1 l671 01 53 0 5 0 1 0 0 1 223451 02 04 0 1 30811 52471 0 1 4o 30 40 50 71 35 1 5 0 1 00 1 50 20305l2 1 60 0 4 0 0 50 0 70 10 20 40 7 由表2 2 可以看出，如果一护目镜的明态遮光号为5 ，暗态遮光号为1 3 ，则 其响应时间的最大值为7 m s 。 对于护目镜的响应特性来说，响应时间指标值是最重要的，它反映了护目镜 的翻转变化快慢。因此，在本文中，主要完成对于响应时间指标值的研究与计算， 而保持时间的研究与计算，不做详细阐述。 2 3 响应时间定义的意义 由于在实际测量过程中，模拟弧光以及背景光的光强不断发生微小变化以及 环境因素的影响，会使实际测量的响应时间在相同的条件下可能得到不同的结 果，从而影响测量准确性。在考虑到各种干扰因素的前提下，采用式( 2 2 ) 来 定义响应时间，就给响应时间的确定带来一定的灵活性，更有利于根据每次测量 的实际情况来实时改变各个参量，从而维持响应时间的总体不变，保证测量结果 的准确性。 另外，根据严密的数学推理，也可以得出该响应时间是在考虑各种变化因素 作用下的平均值，由高等数学理论定积分中值定理为【2 l 】： 9 上海大学硕士学位论文 f ，g 协= 厂皓x 6 4 ) ( 口孝6 ) ( 2 3 ) 对公式( 2 2 ) 做适当的变换如下： 2 寺卜f ( f 渺 f 二t t ( 杀r ( t 丽3 r r 净砸) 出= ) =2 ) j 却 由定积分中值定理可知z i i 万1 丽e ( r ( o 3 r d t ( f ) i t - - i 以f f j t t r ( 手) ， = f i il = 3 ) 4 卸 ( o 善 t = f ( f ( f ) = 3 乇) ) 来表达，即： 铲e ( r ( t ) 。3 r 2 ) t o ) a t = t = t _ ( r ( t ) = 3 r 2 ) 吲f ) ( o f f _ f o ( f ) = 3 t 2 ”( 2 4 ) 其中r ( o 即为光透射比变化曲线中光透射比的平均值【捌。 众所周知，对于遮光号与光透射比不变的同一镜片来说，其响应时间是固定 的。不同的实验条件以及环境可能造成光透射比变化曲线的变化，进而带来光透 射比下降到3 倍于最暗态光透射比的时间和不同光投射比变化曲线中光投射比 平均值的变化。由式( 2 4 ) 可得，当平均值变大时，相应的要达到积分上限要 求时间的时间就短。反之，若平均值变小时，达到积分上限要求时间的时间就长， 但整体上响应时间是不会变化的。 由上述分析可知，此定义式可以很好的反映响应时间的不变性，可以很好的 体现响应过程的复杂性，这对于实际测量是非常必要的。 但是，对于在护目镜翻转过程中，光透射比的具体变化情况，目前的国内外 标准中并没有做深入地研究。由于光透射比变化曲线目前不能通过某种仪器直接 测量得到，故对其求解相对来说将会比较复杂。 由响应时间的积分定义式知，其积分开始时间为开始引弧的时间，对于测试 仪来说，即为闪光灯开始闪光的时间，但是是不是闪光灯开始闪光的同时，护目 镜就发生翻转，这里并不能得到明确的判断。如果闪光的同时，护目镜就发生翻 转，则光透射比从闪光的同时就发生变化，直到最暗；如果闪光的同时，护目镜 需要一定的延迟才能翻转，则此时光透射比在积分开始阶段应为一稳态值，当护 目镜开始翻转时，才发生变化，这时，对于光透射比应分为两段进行讨论。具体 1 0 上海大学硕士学位论文 的问题将在第五章响应时间计算时详细分析。 2 4 本章小结 完成变光焊接护目镜翻转响应时间分析，是进行后续测试仪研制工作的基 础。本章分析了对于响应时间的具体影响因素，通过研究不同标准对于响应特性 的定义，选取了最适合本测试工作的计算方法作为响应时间的定量描述，并对于 具体意义进行了分析，为响应时间的计算奠定了基础。 上海大学硕士学位论文 第三章测试系统的总体硬件设计 确定了响应时间的定性、定量描述后，就可以进行测试平台的研制工作。在 本文中，只研究测试仪的光源系统，光电转换、信号放大系统和信号处理系统， 由此三系统便可以完成对于响应时间在不考虑温度影响前提下的初步测试。对于 温度控制系统，样品室和装置控制系统不做深入的研究。 基于光源系统，光电转换、信号放大系统和信号处理系统的测试平台主要由 硬件系统与软件系统两部分构成。在本章中，主要介绍其测试平台的硬件系统设 计，其结构如下： 图3 1 测试平台硬件系统构成 对于计算机系统，选择基于p c i 总线的普通台式电脑，以满足数据采集系统 与计算机接口的要求。这里重点介绍其它硬件系统的设计。 3 1 光源系统的设计 要使响应时间的测量结果准确，首要的条件就是其光源系统能够很好的模拟 电焊的弧光信号。因此，对于光源系统的选择就显得非常重要。 3 1 1 光源系统的选择 光源系统包括两部分：模拟弧光光源与背景光光源。 对于背景光光源来说，其主要是用来模拟正常情况下的日光信号。为了更好 的反映护目镜的翻转输出特性，要选择合适的背光光源，此背光光源应为符合标 准i s 0 c i e l 0 5 2 6 光源a 要求的白炽灯。 1 2 上海大学硕士学位论文 对于模拟弧光光源来说，根据焊接时焊接弧光的特点和有关的标准，拟定了 三种选择方案：卤素灯、氤气灯和闪光灯。 卤素灯的发光原理是用钨丝发热所致，是取代传统白炽灯泡的新一代产品， 它在同样的功率下发光亮度比一般前照灯高出5 0 。就现在而言，因造价较为合 理，照明度充分，并且其达到峰值亮度的时问短，故其应用较为广泛。 氙气灯是由氙气气体放电照明，氙气气体在高压电流的作用下产生电弧放电 并产生白色的强光。它的工作原理是没有钨丝，而是借助两个极间发出的电弧来 发光。电弧通常能够激活惰性气体氙气，从而促使金属盐发光。 由于卤素灯其额定功率一般要求在6 0 w 左右，不如3 5 w 的氙气大灯经济，因 而正逐步被之取代。而且，在同样的功率情况下，氙气灯发光效率高。一个3 5 w 的放电大灯的通光量是一个5 5 w 的普通卤素灯的两倍，使用寿命可达1 5 0 0 - 2 5 0 0 小时，品质再高的卤素灯泡，寿命最多也就是4 0 0 个小时。氙气气体放电灯点燃 三秒后才能达到最大亮度，这一点决定了其不能作远光灯，只能做近光灯使用。 在欧洲标准e n3 7 9 ：2 0 0 3 ( e ) 中规定：采用高压氙气灯作为光源；采用高 速快门来控制光源的开闭。对于高速快门的要求是从快门穿过的光由1 0 增至 9 0 的上升时间应不大于相应标准中规定的响应时间的1 0 。由此可知，若用普 通氙气灯，则需要安装高速快门。 闪光灯的灯管是阴冷极发电管，灯管的两端分别有金属的阴、阳两极。其密 封的玻璃管内部充满了发光强度很高的惰性气体( 通常是氙、氪、氩等气体) 。惰 性气体在放电时，能发出瞬间的强烈闪光。因属于放电发光，不用灯丝，故可反 复使用万次以上。闪光灯的发光量，通常以闪光指数来表示，闪光指数是根据闪 光灯在瞬间发光的强度，由照射至被摄体的距离与所用光圈系数相乘而得来的， 通常用符号g n 表示，指数愈大，光量也愈大。 由以上分析可知，对于光源来说，没有灯丝的氙气灯比功率要求高、使用寿 命不长的卤素灯要好，而氙气灯要通过高速快门来控制其开闭，这对于高速快门 的要求很高，而闪光灯的瞬时闪光能够满足上述要求。鉴于欧洲标准中规定的光 源要求，综合闪光灯的闪光原理，采用灯管中充满氙气的闪光灯作为测试平台的 模拟电焊弧光光源【珏掘。 上海大学硕士学位论文 3 1 2 光源系统中的其它有关要求 1 ) 对于闪光灯，除符合上述要求外，还要保证其闪光指数在3 0 以上； 2 ) 在测量过程中，要调整测量光源和护目镜的位置，让护目镜平面与光束 成( 9 0 5 ) 。的角，以保证测量精度。 3 2 放大电路系统硬件设计 3 2 1 放大电路系统基本元器件的选择 1 光电转换元器件的选择 光电转换元器件是实现光电转换的关键因素，常用的光电转换元器件有光电 池、光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管等。 光电池是利用半导体光伏效应制成的光电转换器件。它既可以作为电源，又 可以作为光电检测器件，具有重量轻，工作性能稳定，光电转换效率高，使用寿 命长，不产生污染等优点，但对于动态测量，即反映光信号强弱的变化方面，效 果不好。 光敏二极管也叫光电二极管，它的结构与一般二极管相似，在电路中一般处 于反向工作状态。光敏二极管在外观上都有一个用有机玻璃透镜密封、能汇聚光 线于光敏面的“窗口”，所以光敏二极管的灵敏度和响应时间都比较好。它的优点 是光电转换的线性好，响应速度快，适应较宽的波长范围，具有较高的灵敏度， 噪声低；缺点是单独使用输出电流( 或电压) 很小，需要加放大电路。适用于通 讯及光电控制等电路。 光敏三极管可以视为一个光敏二极管和一个三极管的组合元件，由于具有放 大功能，所以其暗电流、光电流和光电灵敏度比光敏二极管要高得多，但结构原 因使结电容加大，响应特性差。 光电倍增管是依据光电子发射、二次电子发射和电子光学的原理制成的，一 般经十次以上倍增，放大倍数可达到1 0 8 1 0 ”。光电倍增管增益高、响应时间 短、响应灵敏度高。这也决定了它的造价十分昂贵，而且使用寿命也比较短，它 在全暗条件下，加工作电压时也会输出微弱电流，称为暗流。另外，光电倍增管 1 4 上海大学硕士学位论文 有两个缺点：灵敏度因强光照射或因照射时间过长而降低，停止照射后又部分 地恢复，这种现象称为“疲乏”；光阴极表面各点灵敏度不均匀。 根据第二章公式( 2 2 ) 响应时间的定义可知，要得到响应时间，首先就要得到 光透射比变化曲线，也即输出光强随时间的变化曲线。这就需要知道光电转换元 器件的转换输出电压随时问的变化关系，以及输出电压与光强的变化关系。对于 前者，将在数据采集系统中进行研究，而对于后者，则要求光电转换元件本身的 光电转换特性比较好，光电转换输出有一定的规律性，以便于求解。所以，应选 用光电转换特性好，响应灵敏度高的光电转换元件【2 7 删。 鉴于以上分析，在综合各种光电转换元器件的优缺点之后，选用光敏二极管 作为光电转换的元件【3 l j 2 1 。初步选用o d t e c h 的o d 3 0 p 1 u v 型光敏二极管，其 结构如下图所示： 图3 2o d 3 0 p 1 - u v 型光敏二极管结构 该光敏二极管具有响应时间短，灵敏度高的优点，其主要性能见下表所示： 表3 1o d 3 0 p i u v 型光敏二极管参数 型号 工作温度开路电压v短路电流 暗电流结电容 o d 3 0 p i u v- 2 5 8 0 0 3 v7 5 越l o n a5 0 。f 为了说明其光电转换特性，对该光敏二极管的光电特性进行试验，记录如下 表所示： 上海大学硕士学位论文 表3 2o d 3 0 p i u v 型光敏二极管光电特性试验记录 光强l 】【电压v光强k电压v光强l 】【 电压v光强k电压v o01 9 90 3 51 6 5 50 4 l7 1 0 00 4 8 1 4 0 12 7 6 0 3 82 3 0 00 4 38 7 0 00 4 8 4 5 o 23 4 2 0 3 93 0 0 00 4 4l o o o oo 5 6 4o 2 l4 4 4 o 3 93 7 0 00 4 51 3 2 0 00 5 1 9 6o 2 55 7 80 4 04 0 0 00 4 51 6 7 0 00 5 2 l l oo 2 86 6 80 4 04 6 0 00 4 52 2 5 0 0o 5 2 1 4 30 38 8 80 4 l5 3 0 00 4 62 4 9 0 00 5 4 1 8 60 3 41 1 9 50 4 16 1 0 00 4 8 对应的电压光强变化曲线为： g 甚 丑 集 06 41 4 3z ，6 5 7 81 1 9 53 0 0 04 5 0 07 1 u u1 3 2 0 02 4 9 0 0 光强l x 图3 3o d 3 0 p 1 - u v 型光敏二极管对应的电压光强变化关系 由图3 3 可以看出，o d 3 0 p 1 u v 型光敏二极管的光电转换特性近似符合对 数变化关系，规律性好，能够很好的完成光电转换，可以用来作为光电转换元件 使用。 2 信号放大系统中其它元器件的选择 由于光敏二极管的输出电信号比较弱，故需要添加信号放大电路。要设计放 大电路，最基本的元器件就是运算放大器，其性能的好坏直接关系到放大的实际 效果。运算放大器是具有高开环放大倍数并带有深度负反馈的多级直接耦合放大 电路。 这里采用常用的m c l 4 5 8 型运算放大器。它是多功能的双运算放大器。它具 有短路保护功能，而且具有输入共模电压范围广，无需频率补偿，低功耗等特点， 1 6 上海大学硕士学位论文 其电压转换速率为0 5 v t s ，满足设计要求。故拟选为放大电路基本元件，其结 构如下图所示： l l n 一 1 l 娅 v c c * 2 0 u t 2 | 撼一 2 l n + 图3 4m c l 4 5 8 型运算放大器的结构 对于放大电路中其它元器件的选择，需要通过电路的实际需要，在不断的试 验过程中选取。其选取将在下一节中具体介绍。 3 2 2 测试平台放大电路的设计 在变光焊接护目镜响应特性测试仪的设计中，首先要解决的问题就是将模拟 弧光的光信号转化为电信号并进行放大，以得到合适的电压信号，进而通过a d 转换，进行深入分析。 完成了光电转换元件与运算放大器的选择之后，就可以进行放大电路的初步 设计。要设计合适的放大电路，首先必须要了解光电转换元器件的基本特性，在 满足其基本要求的前提下，才能完成对放大电路的详细分析设计。鉴于此目的， 首先采用基本的放大电路( 同相输入放大电路) 进行光电转换效果的分析。其电 路如下图所示： a , f - - ( 1 + r e r , ) 图3 5 基本放大电路 利用该电路，分别采用普通白炽灯和闪光灯作为模拟光源，在不同的距离对 其输出电压进行测量，实验记录如下： 1 7 上海大学硕士学位论文 表3 3 不同光源作用下的输出电压 不同距离时的输出电压 模拟光源 5 0 m ml o o m m2 0 0 m m3 0 0 m m4 0 0 m m 白炽灯 l v0 9 6 vo 8 8 v0 8 v 0 7 6 v 闪光灯 1 5 v1 4 v1 3 v1 2 6 v1 2 2 v 从试验中可以看出，随着光源与光电接收元件之间距离的增加，输出电压逐 渐变小。光强越强，输出的电压越大。 当距离为l o o m m 时，若直接测量光敏二极管两端的输出电压，用普通灯泡 时输出电压为o 5 v , 用闪光灯时输出电压为o 7 2 v 。由于此放大电路的电压放大 倍数为2 ，故可知，利用该电路能够较精确的实现光电转换及信号放大。 当把光敏二极管反方向接入时，电路的输出电压大小不变，而相位相反。故 可知，改变光敏二极管的接入方向，对输出电压的大小变化没有影响。 为了检验该电路是否存在波形滞后以及失真，分别用正弦信号和三角波信号 取代光敏二极管，作为模拟输入信号进行仿真，其结果如下图所示： 图3 6 基本放大电路仿真效果图 上海大学硕士学位论文 从图3 6 中可以看出，该放大电路输出波形不存在滞后现象，波形没有明显的失真。 但是仔细观察会发现，输入电压与输出电压之间，特别是输入为负相位时，并不是严格 的2 倍关系，这主要是由于运算放大器本身输入、输出电阻的影响。 为了减少运算放大器本身输入、输出电阻的影响，在输入端首先引入了电压跟随器， 电压跟随器具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，当输入阻抗很高时，就相当于对前级 电路开路，当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级 电路阻抗影响。所以其具备隔离作用，可以使前、后级电路之间互不影响。 对于放大电路采用反相输入放大电路，当r ，= r r ，时，可以消除静态基极电流对 输出电压的影响。基于上述分析，对于放大电路作如下图改进： a r f 艉1 图3 7 改进的放大电路( 1 ) 对于此电路，当在距离为l o o m m 的地方打开普通灯泡后，可测得光敏二极 管此时的输出电压o 5 v ，而电路的输出端电压为0 9 8 v , 基本上满足放大倍数为 2 倍的要求。 为了更好地说明该电路相对上一电路的优势所在，这里用正弦波信号作为输 入信号进行仿真，其仿真电路如下图所示； 图3 8 改进放大电路( 1 ) 的仿真电路 1 9 上海大学硕士学位论文 图3 8 的仿真结果如下图所示： 图3 9 改进放大电路( i ) 的仿真结果 由此可知，该放大电路不但输出波形几乎没有滞后，没有失真，而且输出电 压与输入电压之间能够很好的满足预定的放大倍数关系，故能够达到我们的设计 要求。 为了在实际中检验仿真的结果，我们用专门的信号发生器作为电路的输入信 号做实验。无论采用正